CN110336627B - 基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法。阵列天线幅相调控系统，包括：均匀直线阵列天线，p支路矢量调控模块，功率分配网络，功率放大器，现场可编程门阵列，标准喇叭天线。阵列天线幅相调控系统的实现方法，包括：16单元X波段维瓦尔第直线阵、4支路矢量调控模块的设计，阵列天线幅相调控系统的搭建，时间调制函数的优化设计等步骤。一方面，本发明所述的阵列天线幅相调控系统在射频通道内抑制大量无用谐波分量，以保证系统的单波束辐射效果。另一方面，本发明所述的阵列天线幅相调控系统对射频信号实现连续、高精度的幅相调控，取代离散、低精度的数字移相器和数字衰减器，实现低副瓣和低边带电平的扫描波束。

Description

基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，尤其涉及一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法。
背景技术
现代相控阵天线大都使用数字移相器控制馈电相位差，而由数字衰减器控制阵列天线口面幅度分布。数字移相器和数字衰减器作为相控阵天线T/R通道的关键部件，直接决定了相控阵天线的成本、系统复杂度和电性能。为了提高天线的波束扫描精度，常常使用高位数和高精度的数字移相器和数字衰减器，而高精度/高位数移相器和衰减器也导致其控制模块复杂、控制数据量大，进一步抬高了相控阵天线的成本和系统复杂度。因此工程上常常采用子阵化幅相控制技术来减少T/R通道数量，通过串并转换降低控制线数等，从而降低相控阵天线的成本和系统复杂度，但这是以牺牲扫描精度、波束更新速度等电性能为代价。因此，研究相控阵天线幅相控制新理论、新体制，并进一步研制低成本、低复杂度、高精度的幅相控制器件，不仅是为了解决相控阵天线目前面临的T/R组件成本高、控制复杂、高精度扫描能力不足等瓶颈问题，也为研制新体制相控阵雷达、低成本相扫通信天线等新一代装备奠定理论基础和提供技术支撑。
时间调制阵列作为在传统的天线阵列的射频前端增加了时间调制单元的新型天线阵列，其一种实现方式是在传统的天线阵列的射频前端增加高速射频开关，对各射频开关的打开/关断进行周期性控制。又称四维天线阵。时间调制阵起源于休斯公司的X波段八单元波导裂缝时间调制阵。此后，A.Massa教授团队、A.Tennant教授团队，以及J.C.Brégains教授团队等都在研究间调制天线，尝试将谐波用于波束赋形，提出了一种基于二元时间调制阵的测向方法。Y.Wang博士、J.Euzière、L.Poli和P.Rocca等在时间调制天线阵的方向图综合、边带抑制等方面做了广泛而深入的研究。国内杨仕文教授团队、金荣洪教授团队等提出非均匀时间调制频率，用于抑制边带辐射电平、测向、多普勒效应抑制、DOA估计、自适应波束形成等实验验证。得益于目前纳秒级别的射频切换开关，时间调制天线阵的波束调控也比传统相控阵更加快速、精确。然而，在大多数公开文献中，时间调制阵列的研究侧重于阵列天线的辐射机理，缺少电路层面的模块化设计。
针对现代无线通信及雷达系统中的幅相控制器件成本高昂，链路损耗大，波束切换较慢等问题，作为有源相控阵的一种新幅相控制体制，使用时间调制的矢量调控方法，通过引入时间维度的调制，可以替代传统的数字移相器和数字衰减器，并且增加了系统的自由度。首先，具有成本低和系统复杂度低的优势，可以大大简化原先的体系架构，降低其开销和控制成本，可以进一步强化现有的有源相控阵应用并且拓展其在新领域的应用。其次，实现连续的高精度的幅相变化，可以保证空间覆盖能力和切换速度。
发明内容
本发明基于上述技术背景，提出了基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法，具体由p支路矢量调控模块等构成的阵列天线幅相调控系统，以及4支路矢量调控模块应用于16单元X波段(8.0GHz-12.0GHz)维瓦尔第直线阵的阵列天线幅相调控系统的实现方法。
本发明提出基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，包括：1套M单元均匀直线阵列天线，M个p支路矢量调控模块，1个M路功率分配网络，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)，1个标准喇叭天线，其中，p＝2q，M＝2n,q、n为任意自然数。
所述均匀直线阵列天线的各天线单元要求接1个p支路矢量调控模块。
所述M路功率分配网络接在M个p支路矢量调控模块之前。
所述功率放大器接在M路功率分配网络之前。
所述现场可编辑门阵列产生周期性时间调制函数，控制M个p支路矢量调控模块。
所述标准喇叭天线用于接收由所述均匀直线阵列天线产生的辐射方向图。
p支路矢量调控模块包括p个矢量调控基本模块，2个p路等功率分配网络，(p-1)个固定相位延迟线。所述矢量调控基本模块包括1个单刀三掷射频开关，1个180°(π)相位延迟线，1个匹配负载。
所述p支路矢量调控模块的第i条支路(i≤p)，固定相位延迟线的相对相移量为(i-1)π/p，周期性时间调制函数为U(t+Tp(i-1)/2p)，其中U(t)为第1条支路的时间调制函数，Tp为时间调制函数的最小重复周期。
所述p支路矢量调控模块内部含有切换速度为纳秒级的单刀三掷射频开关，对射频信号实现连续、高精度的幅相调制。
射频信号经所述幅相调控系统产生丰富的谐波分量，其中第+1次谐波定义为有用谐波分量，其余谐波定义为无用谐波分量。所述p支路矢量调控模块，其输出频谱的最小间隔为2pfp，其中，fp＝1/Tp为时间调制频率。若定义输入p支路矢量调控模块之前的射频信号载波频率为fc，则有用第+1次谐波分量的载波频率为fc+fp，无用谐波分量的载波频率为fc+fp±2wpfp，其中w为正整数。根据傅里叶级数理论可知，离fc+fp越远的谐波能量越小。因此，如果wp的数值很大，则载波频率为fc+fp±2wpfp的能量可以忽略。换句话说，p的取值越大，射频通道内抑制的无用谐波分量越多，输出频谱间隔越大，阵列天线的边带辐射越小。
所述现场可编辑门阵列产生的周期性时间调制函数等效为矩形脉冲函数，其1个周期内的波形可由脉冲起始时刻ts和脉冲导通时间τs惟一确定。
本发明提出基于时间调制的阵列天线幅相调控系统的实现方法。以m＝16，p＝4为实施例，包括以下步骤：
第一步：设计16单元X波段维瓦尔第直线阵，4支路矢量调控模块；
第二步：搭建具有1套16单元X波段维瓦尔第直线阵，4支路矢量调控模块，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列和1个标准喇叭天线的幅相调控系统；
第三步：设计现场可编程门阵列的时间调制函数；设置辐射方向图在波束宽度、波束指向、副瓣电平、边带电平的优化目标值；根据优化目标，利用多目标差分进化算法获得16个4支路矢量调控模块的时间调制函数；将优化得到的时间调制函数写入现场可编程门阵列；
第四步：测量标准喇叭接收天线在有用谐波分量和无用谐波分量对应的频点上的辐射方向图。
所述的阵列天线幅相调控系统的实现方法，在不使用数字衰减器和数字移相器的前提下，通过现场可编程门阵列产生的时间调制函数对16个4支路矢量调控模块的周期性调制，产生了边带电平-25.0dB、副瓣电平-20.0dB的低副瓣、扫描波束的辐射方向图，证明了本发明的有效性。
本发明的实施例中包括以下创新点：
本发明的实施例提供的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法中，p支路矢量调控模块内含有切换速度为纳秒级的单刀三掷射频开关，对射频信号的实现连续的、高精度的幅相变化，取代传统离散、低精度的数字移相器和数字衰减器；所述的阵列天线幅相调控系统对时间调制效应产生的大部分无用谐波进行抑制，降低了时间调制阵列中的边带辐射；所述的阵列天线幅相调控系统有规律地抑制频谱上的无用谐波分量，扩展了p支路矢量调控模块的输出频谱间隔，削弱了传统时间调制阵列中传输信号瞬时带宽与周期性时间调制频率之间的严苛条件。
本发明的特点是在不使用数字移相器和数字衰减器的情况下，利用时间调制技术对射频信号实现连续、高精度的幅度和相位变化，使阵列天线产生具有低副瓣和低边带电平的扫描波束。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统。
图2是图1所示的p支路矢量调控模块的具体结构及其简化符号。
图3是图2所示的矢量调控基本模块结构图及其简化符号。
图4是根据图2所示的电路结构定义的谐波表征函数在不同的支路数和不同谐波次数的约束条件下的取值。
图5是本发明一种实施方式提供的阵列天线幅相调控系统的实现方法。
图6是图5所示的16单元X波段维瓦尔第直线阵的结构示意图。
图7是图6所示的维瓦尔第直线阵在均匀幅相激励条件下，波束指向为侧射、10度、30读和50度时，8号单元的有源驻波随频率变化曲线。
图8是图5所示的阵列天线幅相调控系统在扫描角度为10°的条件下，设计出的各个模块归一化时间调制函数。
图9是图5所示的阵列天线幅相调控系统在扫描角度为30°的条件下，设计出的各个模块归一化时间调制函数。
图10是将图8所示的归一化时间调制函数写入图5所示系统的现场可编程门阵列而产生的阵列辐射方向图。
图11是将图9所示的归一化时间调制函数写入图5所示系统的现场可编程门阵列而产生的阵列辐射方向图。
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提出的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，具体包括：1套M单元均匀直线阵列天线1，M个p支路矢量调控模块2，1个M路功率分配网络3，1个功率放大器4，1个现场可编程门阵列5，1个标准喇叭天线6，其中，p＝2q，M＝2n,q、n为任意自然数。所述均匀直线阵列天线的各天线单元要求接1个p支路矢量调控模块，所述M路功率分配网络接在M个p支路矢量调控模块之前，所述功率放大器接在M路功率分配网络之前，所述现场可编辑门阵列产生周期性时间调制函数，控制M个p支路矢量调控模块，所述标准喇叭天线用于接收由所述均匀直线阵列天线产生的辐射方向图。
p支路矢量调控模块的具体结构及其简化符号如图2所示，包括：矢量调控基本模块7，固定相位延迟线8，p路功率分配器9，SMA接头10，现场可编程门阵列5。矢量调控基本模块的具体结构及其简化符号如图3所示，包括：单刀三掷射频开关(SP3T)11，180°(π)固定相位延迟线12，匹配负载13，SMA接头10，现场可编程门阵列5。现场可编程门阵列产生周期性时间调制函数，控制单刀三掷射频开关的导通/截止状态。其中，单刀三掷射频开关、相位延迟线应根据具体工作频率选取和设计。
为了更清晰地说明p支路矢量调控模块的无用谐波抑制效果，本发明定义了谐波表征函数Ω(h)，
Figure GDA0002461840330000051
其中，h为谐波次数。根据时间调制天线理论及傅里叶级数理论，矢量调控基本模块仅传输奇数次谐波分量，而抑制基波分量和偶数次谐波分量。因此，谐波次数h的取值为h＝±1，±3，……。当支路p的取值为1，2，4时，谐波表征函数Ω(h)如图4所示。当p＝1时，p支路矢量调控模块与矢量调控基本模块等效，抑制基波分量和偶次谐波分量，Ω(h)的输出频谱间隔为2fp。根据时间调制天线理论，传统的时间调制阵列时间调制频率fp与射频信号带宽Bs满足的约束条件为fp≥Bs，而矢量调控基本模块的fp与Bs满足的约束条件为fp≥Bs/2。当p＝2时，射频信号在2支路矢量调控模块中实现单边带传输，即抑制镜频分量、基波分量和偶次谐波分量。时间调制频率fp与射频信号带宽Bs满足的约束条件为fp≥Bs/4。当p＝4时，射频信号在4支路矢量调控模块中产生的无用谐波分量得到进一步抑制。时间调制频率fp与射频信号带宽Bs满足的约束条件仅为fp≥Bs/8，意味着绝大部分无用谐波分量在4支路矢量调控模块中被抑制，有用谐波分量和剩余无用谐波分量将被传输至天线端。剩余无用谐波分量可在系统实现中进一步抑制。
本发明以16单元均匀直线阵列天线和4支路矢量调控模块为例(m＝16，p＝4)，证明幅相调控的有效性。第一步，设计16单元X波段维瓦尔第直线阵，4支路矢量调控模块；第二步，搭建具有1套16单元X波段维瓦尔第直线阵，4支路矢量调控模块，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列和1个标准喇叭天线的幅相调控系统；第三步，设计现场可编程门阵列的时间调制函数；第四步，测量标准喇叭接收天线在有用谐波分量和无用谐波分量对应的频点上的辐射方向图。
由图2可知，4支路矢量调控模块内的附加相位延迟线的具体相位为π/4，π/2和3π/4。如果定义第1条支路的周期性时间调制函数为U(t)，则第2、3、4条支路的周期性时间调制函数依次为U(t+1/8fp)，U(t+1/4fp)和U(t+3/8fp)。
U(t)是一个受现场可编程门阵列控制的周期性时间调制函数，其时域表达式为
Figure GDA0002461840330000061
其中，Tp为U(t)的时间调制周期，其倒数fp为周期性时间调制频率。τs1，τs2，τs3和ts1，ts2，ts3分别为图1中状态1，状态2，状态3的状态持续时间和状态导通时刻。根据傅里叶级数理论，射频信号在矢量调控基本模块中产生无穷多次谐波分量，本发明定义第+1次谐波为有用谐波分量。换句话说，如果矢量调控基本模块的输入射频信号的载波频率为fc，那么输出的有用射频信号的载波频率为fc+fp。令τs1＝τs2＝τs，ts1＝ts2＝ts，则射频信号幅度调控量α、相位调控量β与周期性时间调制函数的对应关系为
Figure GDA0002461840330000062
现场可编程门阵列产生的周期性时间调制函数的波形可由上式可唯一确定。射频信号在矢量调控基本模块的输出福相调控量可由现场可编程门阵列唯一确定。对于4支路矢量调控模块，现场可编程门阵列同时产生4个周期性时间调制函数。不同于数字移相器和数字衰减器等传统幅相控制器件，射频开关的导通/截止具有纳秒级的切换速度。也就是说，τs,ts可看作几乎连续变化的物理量，从而实现对射频信号连续、高精度的幅相变化，消除了离散幅相变化产生的量化误差。
图5展示了本发明一种实施方式提供的阵列天线幅相调控系统的实现方法。该系统的具体结构包含：1、16单元X波段(8.0-12.0GHz)维瓦尔第直线阵，2、4支路矢量调控模块，3、16路功率分配网络，4、功率放大器，5、现场可编程门阵列，6、标准喇叭接收天线。
图6展示了图5所示系统中的维瓦尔第直线阵的一种结构示意图。阵列天线辐射部分的介质基板为厚度为0.508mm的罗杰斯(Rogers)4350B，其高度为36.0mm，长度为234.0mm。阵列天线地板是尺寸为234.0mm×50.0mm×1.0mm的铝板。为了削弱阵列天线的边缘效应，本发明使用的维瓦尔第直线阵在阵列的两端各放置一个哑元。
图7是图6所示阵列天线在均匀幅相激励条件下的有源驻波随频率、扫描角度变化曲线。不失一般性，图7展示阵列天线中间第8号单元在侧射和10度，30度，50度的扫描角度的有源驻波随频率变化曲线。在X波段内，本发明使用的阵列天线在扫描50度的范围内有源驻波比小于3.0，端口阻抗匹配良好。
基于图5的阵列天线幅相调控系统的实现方法，本发明利用低副瓣扫描波束方向图证明阵列天线幅相调控的有效性。为了准确地设计阵列天线在任意扫描角度下实现低副瓣方向图在各模块的时间调制函数，同时抑制剩余谐波分量产生的边带辐射，本发明采用多目标差分进化算法对各模块的时间调制函数进行优化，再将优化后的时间调制函数写入现场可编程门阵列。多目标差分进化算法的代价函数有以下3个：
Figure GDA0002461840330000071
其中，
Figure GDA0002461840330000072
和
Figure GDA0002461840330000073
分别为实际波束指向和目标波束指向；
Figure GDA0002461840330000074
和
Figure GDA0002461840330000075
分别为实际副瓣电平和目标副瓣电平；FNBW+1和
Figure GDA0002461840330000076
为实际零功率波瓣宽度和目标零功率波瓣宽度；
Figure GDA0002461840330000077
和SBLd分别为实际最大无用谐波边带电平值和目标无用谐波边带电平值，用来衡量最大无用谐波峰值低于有用谐波峰值的具体电平值。以上代价函数中的脚标“+1”代表第+1次谐波为有用谐波分量。本发明设置优化目标：
Figure GDA0002461840330000078
SBLd＝-25.0dB。
图8是图5所示的阵列天线幅相调控系统在扫描角度为10°的条件下，优化出的各个4支路幅相调控模块所需的归一化时间调制函数U(t)。图9是图5所示的阵列天线幅相调控系统在扫描角度为30°的条件下，优化出的各个模块归一化时间调制函数U(t)。状态1，状态2和状态3的定义与图1中的矢量调控基本模块一致。各个状态的导通截止状态按图8周期性重复。对于4支路矢量调控模块，其内部含有4个矢量调控基本模块，各支路之间的时间调制函数的波形是一致的，但支路之间存在相对延迟，即如果第1条支路的周期性时间调制函数为U(t)，则第2、3、4条支路的周期性时间调制函数依次为U(t+1/8fp)，U(t+1/4fp)和U(t+3/8fp)。为了更加简洁地展示时间调制函数，图7和图8仅展示的是各个模块第1条支路的周期性时间调制函数，而支路与支路之间的相对延迟可通过现场可编程门阵列控制。
图10是将图8所示的归一化时间调制函数写入图5所示系统的现场可编程门阵列而产生的阵列辐射方向图。图11是将图9所示的归一化时间调制函数写入图5所示系统的现场可编程门阵列而产生的阵列辐射方向图。图10和图11的阵列辐射方向图由图5所示的标准喇叭天线接收，并测量得到。作为一个实施方案，本发明传输的射频信号的载波频率fc＝10.0GHz，时间调制函数的重复频率fp＝1.0MHz，即时间调制函数的周期Tp＝1.0μs。射频信号受到4支路矢量调控模块的幅相控制，其有用谐波分量产生了fp的频率偏移，载波频率变为fc+fp，最终被图5所示的标准喇叭天线接收。大部分无用谐波分量在射频通道内被抑制，不会被图5中的标准喇叭天线接收，但少量没有被抑制的谐波分量也会被标准喇叭天线接收。因此，图10和图11绘制了有用谐波分量的辐射方向图(fc+fp)和4个辐射功率最大的无用谐波分量的辐射方向图(fc-7fp，fc+9fp，fc-15fp，fc+17fp)。对比图10和图11的辐射方向图可知，在现场可编程门阵列产生的不同周期性时间调制函数的作用下，按照图5所示的阵列天线幅相调控系统的实施方法，阵列天线在不同的扫描角度产生副瓣电平为-20.0dB，边带电平为-25.0dB的辐射方向图。其中，扫描角度、副瓣电平、边带电平、波束宽度由各个通道的时间调制函数确定，改变时间调制函数即可实现对阵列天线的幅相调控。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (4)

1.一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，包括1套M单元均匀直线阵列天线(1)，M个p支路矢量调控模块(2)，1个M路功率分配网络(3)，1个功率放大器(4)，1个现场可编程门阵列(5)，1个标准喇叭天线(6)，其中，p＝2q，M＝2n,q、n为任意自然数；
所述p支路矢量调控模块(2)内部含有纳秒级切换速度的单刀三掷开关，既对射频通道内的传输信号具有连续、高精度的幅度和相位调控能力，又对射频通道内的无用谐波分量具有抑制能力；
所述M个p支路矢量调控模块(2)，应用在无移相器和衰减器的M单元均匀直线阵列天线(1)，可实现同时具有波束扫描能力的、低副瓣、低边带电平的辐射方向图；
所述均匀直线阵列天线(1)的各天线单元要求接1个p支路矢量调控模块(2)，所述M路功率分配网络(3)接在M个p支路矢量调控模块(2)之前，所述功率放大器(4)接在M路功率分配网络(3)之前，所述现场可编辑门阵列(5)产生周期性时间调制函数，控制M个p支路矢量调控模块(2)，所述标准喇叭天线(6)用于接收由所述均匀直线阵列天线产生的辐射方向图。
2.根据权利要求1所述的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，所述p支路矢量调控模块(2)在射频通道内实现无用谐波分量抑制，其电路拓扑结构具有以下关系，包括p个矢量调控基本模块，2个p路等功率分配网络，p-1个附加相位延迟线；
所述的p个矢量调控基本模块分别位于p条支路；所述矢量调控基本模块包括1个单刀三掷射频开关，1个180°相位延迟线，1个匹配负载；
所述的p-1个附加相位延迟线，在第i条支路的附加相移量为(i-1)π/p，其中i≤p。
3.根据权利要求1所述的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于所述p支路矢量调控模块(2)在射频通道内实现无用谐波分量抑制，在p条支路内的周期性时间调制函数严格按照以下时延关系，在第i条支路的周期性时间调制函数为U(t+Tp(i-1)/2p)，其中i≤p，U(t)为第1条支路的时间调制函数，Tp为时间调制函数的最小重复周期；
所述的p支路矢量调控模块具有明确的谐波表征函数
Figure FDA0002461840320000021
其中h为谐波次数。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统的实现方法，其特征在于，具体设计p支路矢量调控模块及其时间调制函数，获得同时具有波束扫描、低副瓣和低边带电平的辐射方向图，包括：
步骤一、设计M单元X波段维瓦尔第直线阵和p支路矢量调控模块；
步骤二、搭建基于时间调制的阵列天线幅相调控系统；
步骤三、结合多目标差分进化算法，设计现场可编程门阵列的时间调制函数；
步骤四、测量标准喇叭接收天线在有用谐波分量和无用谐波分量对应的频点上的辐射方向图。
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